一种压电式压力传感器幅值特性参数的获取方法

本发明涉及压力传感器计量校准，更具体地说，涉及一种压电式压力传感器幅值特性参数的获取方法。

背景技术：

1、压电式压力传感器具有良好的动态特性，被广泛应用于火炮膛压、爆炸冲击波及密闭容器内冲击波压力的测试。为了确保压电式压力传感器的动态测试精度，需要对其定期校准。

2、由于压电式压力传感器在承受静态压力作用时，会出现电荷泄漏现象，无法实施静态校准准确获取压电式压力传感器的灵敏度、线性度、重复性。因此，国际上常采用准静态校准方法获得压电式压力传感器的幅值特性参数，包括灵敏度、线性度和重复性。所谓准静态校准是指采用脉冲压力发生器产生的类似于半正弦形的压力脉冲作为压力源，该压力脉冲的宽度在1ms～12ms之间，其有效带宽在1khz范围以内，远低于压电式压力传感器的固有频率(一般为几百khz)。

3、目前，获取压电式压力传感器幅值特性的准静态校准方法安装参考压力监测方式的不同，可以分为三大类：(1)直接比对式校准方法：该方法直接选用高精度压力传感器作为标准传感器，以标准传感器实测压力脉冲幅值作为“真值”；(2)绝对式校准法：一是利用安装于重锤锤头的高精度力传感器进行力值测量，再由冲击力与造压油缸内压力的关系模型预测压力“真值”；二是利用安装于活塞杆上的加速度传感器或锤体垂直上方的激光干涉仪完成活塞杆加速度测量，再结合活塞杆受冲击开始到冲击结束过程，其冲击加速度与造压油缸内压力之间的数学模型实现对造压油缸内压力脉冲幅值的监测并作为压力“真值”；三是利用激光干涉仪测量造压油缸内光程变化，再利用光程和压力之间的数学模型预测脉冲压力“真值”；四是利用高速摄像机监测活塞杆冲击过程的位移变化，再结合位移与造压油缸内压力之间的数学模型预测压力“真值”；(3)间接比对式准静态校准方法：该方法是先建立落锤液压标定装置典型结构参数与造压油缸内压力峰值之间的经验模型，再拆除参考压力传感器，利用该模型的预测结果作为压力“真值”；或先建立参考压力曲线的预测模型，再将被校准压力测量系统的输出电压响应曲线及其一阶和二阶微分，代入该模型进行计算，计算得到的参考压力曲线幅值作为“真值”。为了获取压电式压力传感器的幅值特性参数，通常在压电式压力传感器的量程范围均匀地选取若干个压力检定点，在每个压力检定点各进行多次重复实验，获得一系列的压电式压力传感器激励压力幅值和响应电压幅值构成的数据集，再采用线性拟合的方法获得压电式压力传感器的灵敏度，并参考jjg 860-2015压力传感器(静态)检定规程给出非线性和重复性的计算模型。

4、然而，现有常用的半正弦形压力脉冲发生器主要有：落锤式液压标定装置，摆锤式液压标定装置以及气体脉冲压力发生装置。这些装置主要是通过重锤撞击活塞杆组件挤压造压油缸内的传压介质并反弹来产生压力脉冲的。这些装置的重复性普遍较差，进而造成计算得到的压电式压力传感器重复性严重偏大。

5、为了解决这一问题，在《压力测量不确定度评定实例》一书中，通过先构建压电式压力传感器的工作方程和灵敏度，再利用该工作方程得到多次重复实验被校准压力传感器电压响应的修正值，再针对修正后的电压响应值计算重复性。另外，在题为“基于准静态的冲击波压力测量系统工作特性参数获取方法及低频特性研究”论文里，先在被校准压力传感器的量程范围内均匀地选取若干个压力检定点，基于这些压力检定点由低到高开展多轮重复实验，分别建立每一轮校准实验的工作方程，再在被校准压力传感器满量程范围均匀选取若干个新的压力检测点，分别代入每一轮校准实验构建的工作方程进行计算，分别得到每个新的压力检测点处的标准偏差，再参考jjg 860-2015压力传感器(静态)检定规程给出重复性的计算模型。这两种方法都需要先构建被校准压电式压力传感器的工作直线方程，才能评价被校准压电式压力传感器的重复性。

6、此外，在“一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法”专利(专利号：zl 202110629880.9)中利用半正弦压力脉冲的上升沿和下降沿信息分别模拟静态校准的持续增压和减压操作，实现了对压电式压力传感器灵敏度、线性度、重复性及迟滞参数的评价。但是，这种方法得到的工作特性参数并不是压电式压力传感器的幅值响应特性参数。这种方法虽然可以在选取脉冲激励点时保持良好的一致性，但是脉冲激励幅值的不一致，会直接导致同一脉冲激励点对应的电压响应值存在显著差异，导致压电式压力传感器的重复性计算结果较差。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题

2、为了解决上述存在的问题，本发明提供一种压电式压力传感器幅值特性参数的获取方法，该获取方法充分利用了半正弦压力脉冲幅值附近测量点数据，利用脉冲幅值附近激励点模拟重复校准实验的脉冲幅值激励。

3、2.技术方案

4、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

5、本发明的一种压电式压力传感器幅值特性参数的获取方法，包括以下步骤，

6、步骤一：在被校准压力传感器的全量程范围均匀地选择n个压力检定点，在每个压力检定点均开展1次校准实验；

7、步骤二：以第i个压力检定点的校准实验数据为例，在标准压力传感器检测到的参考压力曲线的幅值附近选取z个压力测量点作为激励，假设这z个压力测量点分别是pi1,pi2,...,pil,...,piz；同时，在被校准压力传感器检测到的输出曲线获取这z个压力测量点对应的响应点数据，假设这z个响应点数据分别是yi1,yi2,...,yil,...,yiz；

8、步骤三：分别获取z个压力测量点和z个被校准压力传感器对应响应数据的平均值；

9、

10、

11、pil为从参考压力曲线幅值附近选取的z个测量点中的第l个数据；

12、yil为从被校准压力传感器输出曲线幅值附近选取的z个测量点中的第l个数据；

13、步骤四：重复步骤二和三，得到其它n-1个压力检点幅值附近z个激励点平均值和被校准压力传感器z个相应响应的平均值。至此，可以得到n个压力检定点各进行1次校准实验获得的激励点平均值数据集和被校准压力传感器相应响应点平均值数据集

14、步骤五：对数据集和进行线性拟合，获取被校准压力传感器的工作直线方程和灵敏度k；

15、y＝kp+b    (3)

16、其中，b是被校准压力传感器的零点输出；

17、步骤六：获取被校准压力传感器的满量程输出值，被校准压力传感器的满量程输出值yfs按公式(4)计算：

18、yfs＝|k(pmax-pmin)|    (4)

19、步骤七：将数据集代入方程(4)计算得到预测值数据集{y′1,y′2,...,y′i-1,y′i,...,y′n}。

20、利用方程(5)计算和y′i之差的绝对值δyi；可以获得一个残差数据集{δy1,δy2,...,δyi-1,δyi,...,δyn}；其中，n个残差的最大值记为δymax。

21、

22、按公式(6)计算被校准压力传感器的线性度εr：

23、

24、步骤八：按公式(7)计算各检定点的标准偏差si。

25、

26、按公式(8)计算被校准压力传感器在整个测量范围内的标准偏差s：

27、

28、利用公式(9)计算被校准压力传感器的重复性εr：

29、

30、进一步地，在步骤一中，压力检测点数目n≥5。

31、进一步地，在步骤二中，压力测量点数目z≥3。

32、进一步地，在步骤五中，线性拟合的方法可以是最小二乘法，也可以是切线法或端点平移法。

33、进一步地，在步骤一中，参考压力曲线也可以由高精度力传感器、高精度加速度传感器或激光速度干涉仪监测得到的加速度曲线，结合加速度与造压油缸内压力之间的数学模型间接获得。

34、进一步地，在步骤一中，参考压力曲线也可以由高速摄像机监测得到的活塞杆位移变化曲线，结合位移与造压油缸内压力之间的数学模型间接获得。

35、3.有益效果

36、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

37、(1)本发明通过利用半正弦压力脉冲幅值附近区域测量点模拟重复校准实验，能够有效克服现有半正弦压力脉冲发生装置重复性差对被校准压力传感器重复性计算结果的影响。

38、(2)基于本发明的压电式压力传感器重复性获取方法无需事先获取被校准压力传感器的工作直线方程。

39、(3)本发明的脉冲幅值附近区域校准数据的利用率高，校准效率高，校准所需时间成本低。